DE19632057A1 - Verfahren zum Kalibrieren von Temperaturmeßwiderständen auf Trägern aus Glas, Glaskeramik oder dergleichen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren von Temperaturmeßwiderstän­ den auf Trägern aus Glas, Glaskeramik oder dergleichen, insbesondere von Leiter­ bahnwiderständen auf Kochflächen aus Glaskeramik.

Zur Verbesserung der Gebrauchstauglichkeit von Kochgeräten mit Glaskeramik- Kochfläche ist es wünschenswert, die Temperatur in der Kochzone zu messen und anzuzeigen oder zur Steuerung des Kochvorganges zu benutzen. Hierzu kann man beispielsweise Leiterbahnen auf der Unterseite der Kochfläche im Bereich der Kochzonen aufbringen und den temperaturabhängigen Widerstand (Temperatur­ meßwiderstand) des Leiterbahnmateriales ausnutzen. Das System ist für elektrisch oder mit Gas beheizte Kochgeräte sowie u. a. auch Grillgeräte anwendbar. Als Lei­ terbahnmaterialien werden bei hohen Betriebstemperaturen bevorzugt Edelmetalle (Gold, Platin) verwendet, bei niedriger Maximaltemperatur (unter 400°C ist auch Silber verwendbar. Diese Art der Temperaturmessung ist beispielsweise in DE 40 22 845 C2 beschrieben.

Bei den üblicherweise verwendeten Leiterbahnmaterialien steigt der elektrische Wi­ derstand i.a. annähernd linear mit der Temperatur an und ist im gesamten interes­ sierenden Temperaturbereich mit elektronischen Mitteln gut auswertbar.

Nachteilig ist jedoch, daß Temperaturmeßwiderstände der genannten Art bei praxis­ üblichem Gebrauch einer Alterung unterliegen. Hierdurch kann sich die Temperatur- Widerstands-Charakteristik des Temperaturmeßwiderstandes in erheblichem Maße ändern:

Typisch ist beispielsweise bei Verwendung von Gold als Leiterbahnmaterial eine Änderung des Temperaturmeßwiderstandes durch Alterung während einer für Koch­ flächen üblichen Betriebsdauer von ca. 2000 h bei einer üblichen Betriebstempera­ tur von ca. 600°C von 14 auf 15 Ω bei einer Temperatur von 20°C (R₂₀). Durch die Alterung von R₂₀ von 14 auf 15 Ω wird beispielsweise der vorher 20°C entsprechen­ de Widerstand von 14 Ω bereits bei -8°C gemessen. Der einer Temperatur von 50°C entsprechende Widerstand von 15,01 Ω wird bereits bei 20,3°C und der einer Temperatur von vorher 400°C entsprechende Widerstand von 26,77 Ω bereits bei 347°C erreicht. Letzteres entspricht einer Mißweisung der Temperaturanzeige von immerhin 29,7 bzw. 53 Grad. Weiterhin können auch Fertigungstoleranzen bei der Herstellung von Leiterbahnwiderständen zu Abweichungen in den oben genannten Größenordnungen führen.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zum Kalibrieren der oben beschriebenen Temperaturmeßwiderstände bereitzustellen, das der fertigungs- und/oder alterungs­ bedingten Mißweisung in der Temperaturanzeige Rechnung trägt.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit allen Merkmalen des Anspruchs 1 ge­ löst.

Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, daß bei Trägern aus Glas, Glaske­ ramik oder dergleichen prinzipiell auch der elektrische Widerstand des Trägermate­ rials zur Temperaturmessung geeignet ist, wenn auch i.a. erst bei höheren Tempera­ turen. "Vergleichbares Material" bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung jedes Material, das eine mit Glas oder Glaskeramik vergleichbare Temperatur-Wider­ stands-Charakteristik hat. Hier sind z. B. technische Keramiken und Kristalle, wie Glimmer und Quarz, zu nennen.

Nachfolgend wird die Erfindung ohne Beschränkung der Allgemeinheit am Beispiel eines Leiterbahnwiderstandes, der auf eine Glaskeramikkochfläche aufgebracht ist, erläutert. Der Leiterbahnwiderstand stellt dabei den Temperaturmeßwiderstand dar. Es liegt jedoch auf der Hand, daß die vorliegende Erfindung nicht nur auf Leiter­ bahnwiderstände auf Glaskeramikkochflächen anwendbar ist. Auch andere Anwen­ dungsmöglichkeiten sind von großem Interesse. So ist z. B. auch bei Produkten mit Glaskomponenten, wie z. B. Backofentüren mit Glasscheiben eine Temperaturüber­ wachung (z. B. während eines Pyrolysevorgangs) besonders wünschenswert. Die Innentemperatur des Backofens beim Pyrolysevorgang von typischerweise 500°C führt nämlich zu einer Scheibentemperatur bis über 300°C, die nahe der Bela­ stungsgrenze der Scheibe liegt. Durch eine Überwachung der Scheibentemperatur könnte eine thermisch bedingte Zerstörung der Scheibe vermieden werden.

Die Verwendung von Glaskeramiktemperaturmeßwiderständen zur Temperaturmes­ sung bei Kochgeräten mit Glaskeramikkochflächen ist bekannt und beispielsweise in DE 21 39 828 C und DE 40 22 846 C2 beschrieben. Üblicherweise werden hierzu auf der Unterseite der Glaskeramikkochfläche im Bereich der Kochzonen längs ei­ nes Halbmessers parallele Leiterbahnen aufgebracht, die den dazwischenliegenden streifenförmigen Glaskeramiktemperaturmeßwiderstand begrenzen und kontaktie­ ren. Auch andere geometrische Ausgestaltungen eines solchen Glaskeramiktempe­ raturmeßwiderstandes sind bereits bekannt und z. B. in DE 40 22 846 C2 und DE 40 22 844 C1 beschrieben.

Der Zusammenhang zwischen der Temperatur T_GK der Glaskeramik und dem Wi­ derstand R_GK des Glaskeramik-Sensors wird durch eine Gleichung der Form

T_GK = -B/(Ig(R_GK) + A)) (1)

mit den für die jeweilige Geometrie des Sensors und die Glaskeramik charakteristi­ schen Konstanten A und B beschrieben.

Nachteilig an einem Glaskeramiktemperaturmeßwiderstand der beschriebenen Art ist, daß er mit fallender Temperatur exponentiell ansteigt und bei Temperaturen un­ ter 250°C bereits so hoch ist, daß er mit den üblichen elektronischen Mitteln nicht mehr auswertbar ist. Allerdings ist der elektrische Widerstand einer Glaskeramik oder eines Glases im Gegensatz zu Leiterbahnwiderständen sehr stabil gegenüber Alterungserscheinungen im Gebrauch. Auch sind fertigungsbedingte Schwankungen der Widerstandswerte weitgehend zu vernachlässigen. Typischerweise liegt bei ei­ ner Glaskeramikkochfläche bei den obigen Betriebsdaten (Dauer, Temperatur) die Mißweisung in der Anzeige eines Glaskeramiktemperaturmeßwiderstandes bei nur ca. 3 Grad. Der Glaskeramiktemperaturmeßwiderstand ist damit hervorragend als Referenzgröße zur Kalibrierung des Leiterbahntemperaturmeßwiderstandes geeig­ net.

Gemäß der Erfindung wird daher die Temperaturanzeige aus dem (alternden bzw. durch die Fertigung veränderten) Leiterbahntemperaturmeßwiderstand mit der Tem­ peraturanzeige aus dem (weitgehend stabilen) Glaskeramiktemperaturmeßwider­ stand kalibriert. Dies findet in der Auswerteelektronik statt.

Die Kalibrierung wird in der Regel bei Temperaturen zwischen 250°C und 600°C durchgeführt. Unterhalb von 250°C ist der Glaskeramiktemperaturmeßwiderstand nicht mehr ohne weiteres auswertbar, oberhalb von 600°C endet der Arbeitsbereich von Kochgeräten. Prinzipiell ist das Verfahren bis zur Belastungsgrenze der Glaske­ ramik von 750°C einsetzbar.

Im folgenden werden die physikalischen Grundlagen für die praktische Durchführung des Kalibrier-Verfahrens beschrieben:

Bei Verwendung eines Leiterbahnmaterials mit weitgehend linearer Temperatur- Widerstands-Charakteristik, z. B. bei Gold oder Platin, wird der Zusammenhang zwi­ schen der Temperatur T_LB der Leiterbahn und dem Widerstand der Leiterbahn R_LB durch eine Gleichung der Form

R_LB = R₂₀ _* (1 + α₂₀ _* (T_LB - 20)) (2)

bzw.

R₂₀ = R_LB/(1 + α₂₀ _* (T_LB - 20)) (3)

oder

T_LB = ((R_LB - R₂₀)/(R₂₀ _* α₂₀)) + 20 (4)

beschrieben, wobei R₂₀ der Widerstand der Leiterbahn bei 20°C und α₂₀ der Wi­ derstandsbeiwert bei 20°C ist. Die Werte werden auf 20°C bezogen, da der Wi­ derstandsbeiwert α₂₀ üblicherweise in der Literatur auf 20°C bezogen wird. Der obi­ ge Zusammenhang gilt jedoch sinngemäß für jede andere Referenztemperatur.

Ist der Widerstand nicht linear mit der Temperatur veränderlich, kann die Tempera­ tur-Widerstands-Charakteristik allgemein durch ein Polynom

R_LB = R₂₀ _* (1 + α₂₀ _* (T_LB - 20) + β₂₀ _* (T_LB - 20)² + δ₂₀ _* (T_LB - 20)³ + . . .) (5)

dargestellt werden.

Im praktischen Gebrauch unterliegen R₂₀ und bei hohen Anforderungen auch α₂₀ (und ggf. β₂₀ und δ₂₀ usw.) den oben geschilderten Abweichungen durch Alterung des Leiterbahnmaterials bzw. durch fertigungsbedingte Toleranzen.

Die Temperatur der Leiterbahn ist identisch mit der Temperatur der angrenzenden Glaskeramik: T_LB = T_GK. Bei der Kalibrierung wird daher gemäß der Erfindung bei ei­ ner Temperatur zwischen 250°C und 600°C dem gemessenen Leiterbahnwider­ stand R_LB die mit einem Glaskeramik-Sensor gemessene Temperatur zugeordnet.

Bei ausreichend konstantem α₂₀ kann aus (3) der genaue Wert R₂₀ bestimmt werden. Mit diesem korrigierten R₂₀ kann jetzt aus (4) über den gesamten interessierenden Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 600°C aus R_LB ein exakter Wert der Temperatur der Kochzone bestimmt werden.

Falls der Widerstandsbeiwert α₂₀ den Genauigkeitsanforderungen nicht genügt wird in Erweiterung des geschilderten Verfahrens die Kalibrierung bei zwei Temperaturen über 250°C vorgenommen. Aus den vorliegenden Werten wird ein Gleichungssy­ stem für R₂₀ und α₂₀ gelöst.

Ist der Widerstand wie in (5) nicht linear von der Temperatur abhängig, muß der Abgleich an mehreren Temperaturwerten erfolgen, so daß die Unbekannten be­ stimmt werden können.

Der Abgleich kann bei jedem Überschreiten von einer Temperatur von 250°C oder auch nur periodisch in größeren Zeitabständen oder bei besonderen Betriebsbedin­ gungen (z. B. Betrieb der Kochzone ohne Geschirr) erfolgen. Die Kalibrierung kann beispielsweise dann durchgeführt werden, wenn die Abweichung der Temperatur­ messung auf Basis des Trägermaterials und der auf Basis des Leiterbahnwiderstan­ des mehr als 5°C beträgt. Erfahrungsgemäß reicht eine Kalibrierung nach jeweils 10 Betriebsstunden aus, um eine ausreichende Meßgenauigkeit zu gewährleisten. Da der Abgleich in ca. 1 Sekunde durchführbar ist, stellt dies keine wesentliche Behin­ derung des Betriebes dar. Die Kalibrierung bei Betrieb der Kochzone ohne Geschirr hat den Vorteil, daß die Wärmeabfuhr und damit das Temperaturprofil der Kochzone sehr genau definiert sind. Dies verbessert die Genauigkeit der Kalibrierung.

Nachfolgend wird anhand eines Ausführungsbeispiels das erfindungsgemäße Ver­ fahren näher erläutert:
Als Temperatursensoren wurden zwei im Abstand von ca. 3 mm parallel verlaufende Goldleiterbahnen mit einer Länge von 180 mm auf einer Glaskeramik verwendet. Gemessen wurde der elektrische Widerstand entlang einer Leiterbahn und der Glaskeramikwiderstand zwischen den Leiterbahnen. Beide Werte wurden der jewei­ ligen, mit einem separaten Temperaturfühler (Pt 100) ermittelten Glaskeramiktempe­ ratur an einer Stelle der Glaskeramik zugeordnet.

Für den Leiterbahnwiderstand wurden vor und nach einer Alterung über 2000 Stun­ den bei ca. 600°C folgende Wertepaare gemessen und die zugehörigen Tempera­ turkoeffizienten des elektrischen Widerstandes α₂₀ berechnet:

Der berechnete Temperaturkoeffizient α₂₀ ist spezifisch für den verwendeten Meß­ aufbau und das zugehörige Temperaturprofil über die Leiterbahnlänge; er erweist sich bei Alterung als weitestgehend stabil.

Nach der Alterung wird der Widerstand von 26,77 Ω gemäß Gleichung (4) bereits bei der Temperatur von 347°C erreicht. Ohne Kalibrierung ermittelt der Leiterbahn­ sensor jedoch eine Temperatur von 400°C.

Erfindungsgemäß kann jetzt, z. B. bei 400°C, ein Temperaturabgleich mit dem Glas­ keramiksensor mit einer Genauigkeit von ± 3°C durchgeführt werden.

Bei konstantem α₂₀ und ausreichend genauer Widerstandsmessung ergibt sich mit Gl. (3) der neue Kaltwiderstand mit einer Genauigkeit gemäß Gleichung (6) von R₂₀ = 15Ω ± 0,06 Ω. Dabei entspricht ΔT_LB = ΔT_GK und T_LB = T_GK.

ΔR₂₀ = ±|- R_{LB *} α₂₀/(1 + α₂₀ _* T_LB - α₂₀ _* 20)² _* ΔT_LB (6)

Mit diesem neuen R₂₀ ± ΔR₂₀ kann jetzt gemäß Gl. (4) die Temperatur, z. B. bei 50°C entsprechend R_LB = 16,08 Ω, mit Hilfe des Leiterbahnwiderstandes mit einer Genau­ igkeit gemäß Gleichung (7) von ΔT_LB = ± 18°C bestimmt werden.

ΔT_LB = ±|- R_LB/(α₂₀ _* R₂₀²)| _* ΔR₂₀ (7)

Ohne Kalibrierung nach der Alterung würde hingegen bei 50°C entsprechend 16,08 Ω gemäß Gleichung (4) eine Temperatur von 82°C angezeigt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß mit relativ geringem apparati­ vem Aufbau auch über lange Betriebszeiten eine sehr genaue Temperaturbestim­ mung möglich ist. So kann z. B. im Falle der Glaskeramikkochflächen in der Praxis eine Leiterbahnanordnung gewählt werden, wie sie aus dem oben beschriebenen Stand der Technik bekannt ist. Es ist hierzu lediglich erforderlich, einen der beiden parallelen Leiterbahnstreifen zur Bestimmung des Leiterbahntemperaturmeßwider­ standes an beiden Enden zu kontaktieren. Zwischen den beiden Leiterbahnen be­ findet sich der streifenförmige Glaskeramiktemperaturmeßwiderstand, der von bei­ den Leiterbahnen begrenzt und kontaktiert und zur Bestimmung der tatsächlichen Temperatur der Kochfläche herangezogen wird.

Claims (8)

1. Verfahren zum Kalibrieren von Temperaturmeßwiderständen auf Trägern aus Glas, Glaskeramik oder dergleichen, insbesondere von Leiterbahnwiderständen auf Kochflächen aus Glaskeramik, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Temperatur-Widerstands-Charakteristik des Tempera­ turmeßwiderstandes die einem gemessenen Widerstandswert zugeordnete Temperatur über den temperaturabhängigen elektrischen Widerstand des Trä­ germaterials ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung bei Temperaturen zwischen 250°C und 600°C durchge­ führt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung durchgeführt wird, wenn die Abweichung der Temperatur­ messung auf Basis des Trägermaterials und der auf Basis des Leiterbahnwider­ stands mehr als 5°C beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung nach jeweils 10 Betriebsstunden durchgeführt wird.

5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Kalibrieren die Temperatur über den elektrischen Widerstand des unmittelbar an den Temperaturmeßwiderstand angrenzenden Trägermaterials bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zu kalibrierende Temperaturmeßwiderstand eine Leiterbahn auf dem Träger ist und daß dieser Leiterbahn eine zweite Leiterbahn zugeordnet ist, wel­ che zusammen mit der ersten Leiterbahn auf dem Träger einen Temperatur­ meßwiderstand aus dem Trägermaterial begrenzt und kontaktiert, und daß die­ ser Temperaturmeßwiderstand zur Bestimmung der Temperatur herangezogen wird.

7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei bekanntem mathematischen Zusammenhang zwischen dem zu kalibrie­ renden Temperaturmeßwiderstand und der Temperatur die Zahl der Kalibrier­ meßpunkte entsprechend der Zahl der unbekannten Größen in der entspre­ chenden mathematischen Gleichung gewählt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei linearer Temperatur-Widerstands-Charakteristik des zu kalibrierenden Temperaturmeßwiderstandes bei ausreichend konstantem Widerstandsbeiwert α₂₀ die Kalibriermessung nur bei einer Temperatur < 250°C durchgeführt wird.